一种钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层及其制备工艺

摘要

本发明涉及一种钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层及其制备工艺，将钴基合金、陶瓷硬质相TiC混合均匀后用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于钛合金基体表面，风干；对晾干后的试样进行激光熔覆，激光功率选择为800～1200W，激光的扫描速度为2.5～7.5mm/s，吹氩气保护，保护气压为0.2～0.4MPa，激光的光斑直径固定为4mm。本发明利用钴基合金与TiC的复合材料体系作为熔覆材料，在钛合金表面进行激光熔覆，能够将钴基合金耐蚀、润湿性好的特点和TiC的高稳定性、高硬度、高耐磨等特点结合起来，有利于在钛合金表面制备出具有良好强韧性匹配的熔覆层。

权利要求

1.一种钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，其特征是，包括步骤如下：(1)将钛合金试样表面清理干净，采用电火花线切割后清洗、晾干待用；

(2)称取熔覆材料粉末：将钴基合金、陶瓷硬质相TiC混合均匀后用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于钛合金基体表面，风干；所述的钴基合金为Stellite6或Co42钴基合金粉末；熔覆材料粉末质量配比为Stellite6 15～60％、TiC 40～85％；或Co42 15～80％、TiC 20～85％；

(3)对晾干后的试样进行激光熔覆，激光功率选择为800～1200W，激光的扫描速度为

2.5～7.5mm/s，吹氩气保护，保护气压为0.2～0.4MPa，激光的光斑直径固定为4mm。

2.根据权利要求1所述的钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，其特征是，步骤(2)所述的熔覆材料粉末质量配比为优选为Stellite6 20～60％、TiC 40～

80％；或Co42 20～70％、TiC 30～80％。

3.根据权利要求1所述的钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，其特征是，步骤(2)所述的熔覆材料粉末质量配比进一步优选为Stellite6 30～60％、TiC

40～70％；或Co42 30～70％、TiC 30～70％。

4.根据权利要求1所述的钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，其特征是，步骤(2)所述的粘结剂为水玻璃溶液，水玻璃与水的体积比为1:3；粘结剂的添加量为每1g熔覆材料粉末中滴入3～10滴。

5.根据权利要求1所述的钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，其特征是，步骤(2)所述的涂覆层厚度控制在0.6～0.8mm。

说明书

一种钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层及其制备

工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及一种金属陶瓷复合涂层，尤其涉及一种钛合金表面激光熔覆两类钴基金属陶瓷复合涂层及其制备工艺，属于金属材料表面改性领域。

背景技术

[0002] 钛合金是20世纪40年代末发展起来的一类新型结构材料，其主要特点是密度小、比强度高、中低温性能好、耐腐蚀。因而，其在航空、化工、医疗等领域得到广泛应用。但是，钛合金的硬度低，耐磨性及抗高温氧化能力差，这些不利因素大大地限制了其应用范围。

[0003] 激光表面改性技术作为一种无接触、无污染、高效、灵活的先进表面改性技术，已广泛地应用于提高铁基合金及有色合金的耐磨性、耐蚀性等表面性能。采用激光表面改性技术对钛合金材料进行表面改性的研究，已引起了国内外学者的重视，被认为是最有前途的表面改性技术之一。作为一种金属材料激光表面改性技术，激光熔覆是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面添加涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，快速凝固后形成与基体材料成冶金结合的表面涂层的技术。激光熔覆可以有效提高钛合金的表面性能，从而扩大其使用范围。

[0004] 目前，关于钛合金表面激光熔覆钴基合金的报道较少。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层及其制备工艺，该种金属陶瓷复合涂层能够显著提高钛合金的表面硬度，改善钛合金部件的耐磨性，扩大钛合金零部件的使用范围。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

[0007] 一种钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层的制备工艺，包括步骤如下：

[0008] （1）将钛合金试样表面清理干净，采用电火花线切割后清洗、晾干待用；

[0009] （2）称取熔覆材料粉末：将钴基合金、陶瓷硬质相TiC混合均匀后用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于钛合金基体表面，风干；

[0010] （3）对晾干后的试样进行激光熔覆，激光功率选择为800～1200W，激光的扫描速度为2.5～7.5mm/s，吹氩气保护，保护气压为0.2～0.4MPa，激光的光斑直径固定为4mm。

[0011] 上述工艺中步骤（2）所述的钴基合金为Stellite6或Co42钴基合金粉末。

[0012] 步骤（2）所述的熔覆材料粉末质量配比为Stellite615～60%、TiC40～85%；或Co4215～80%、TiC20～85%。

[0013] 步骤（2）所述的熔覆材料粉末质量配比优选为Stellite620～60%、TiC40～80%；或Co4220～70%、TiC30～80%。

[0014] 步骤（2）所述的熔覆材料粉末质量配比进一步优选为Stellite630～60%、TiC40～70%；或Co4230～70%、TiC30～70%。

[0015] 上述步骤（2）所述的粘结剂为水玻璃溶液，水玻璃与水的体积比为1:3；粘结剂的添加量为每1g熔覆材料粉末中滴入3～10滴。

[0016] 步骤（2）所述的涂覆层厚度控制在0.6～0.8mm。

[0017] 利用上述工艺制备出钛合金表面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层。

[0018] 表1Stellite6和Co42钴基合金粉末的成分(wt.%)

[0019]

[0020] 非自熔性基底材料Stellite6以钴作为主要成分，在较大温度范围内的良好的耐磨和耐腐蚀性能，在800℃以下温度范围内具有优良的耐蚀、耐高温、抗冲击等性能。

[0021] 用于激光熔覆的钴基自熔合金粉末（如Co42）是在Stellite合金的基础上研制而成的，合金元素主要是Cr、W、Fe、Ni和C，此外通过添加B和Si来增加合金粉末的润湿性以形成自熔合金。在激光熔覆过程中，B、Si元素被氧化成氧化物，在熔覆层表面形成氧化膜。这种薄膜既能防止熔池中的金属元素过度氧化，又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸盐熔渣，从而减少熔覆层中夹杂物和含氧量，获得氧化物夹杂量少、气孔率低的激光熔覆层。

[0022] 钴基合金具有良好的稳定性，在熔覆时很少发生蒸发、升华和变质；另外，钴基合金粉末在熔化时具有较好的润湿性，有利于获得致密性好、与基体结合紧密且光滑平整的熔覆层。Co与Cr可生成稳定的固溶体，由于含碳量较低，基底上弥散分布着亚稳态的Cr23C6、M7C3和WC等各种碳化物以及CrB等硼化物，使熔覆层具有较好的耐磨性、耐蚀性和抗氧化性。

[0023] TiC常用作碳化物硬质合金添加剂，呈灰黑色结晶，硬度高、耐腐蚀且热稳定性好。

[0024] 利用钴基合金（Stellite6或Co42）+TiC的复合材料体系作为熔覆材料，在钛合金表面进行激光熔覆，能够将钴基合金耐蚀、润湿性好的特点和TiC的高稳定性、高硬度、高耐磨等特点结合起来，有利于在钛合金表面制备出具有良好强韧性匹配的熔覆层。

[0025] 图1为激光熔覆Stellite6+50wt.%TiC涂层的XRD分析结果，经过标定涂层主要由 Co1.51Cr3.96Fe0.77Ni1.96Mo1.52W0.19N1.21C0.79、TiC、(W,Ti)C1-x、NiCoCr、Ni3Ti、Co3W3C、FeNiN、Co3Ti、(Fe,Ni)、Cr1.97Ti1.07等相组成。Stellite6合金在熔覆过程中发生了熔解，其中的元素与而熔覆层组分复杂，容易发生分解、化合反应生成新的物相。Stellite6中含有大量的Cr、Ni、W、Fe元素，它们较易形成固溶体，熔覆之后这些新固溶体的形成能够使涂层保持良好的塑韧性。涂层中没有大量的其它碳化物产生，这说明加入的TiC并没有发生大量的熔化和分解，它们在韧性好的涂层基体上弥散分布，可以起到弥散强化的作用。

[0026] 图2为激光功率为950W、扫描速度为2.5mm/s、激光光斑直径4mm的工艺下，TiC含量不同的Stellite6复合陶瓷涂层的显微硬度分布。硬度曲线的最高点不在熔覆层的最外侧，而在熔覆层表面以内大约0.1～0.2mm处。当TiC含量为50%时，激光熔覆层与基体
热影响区的结合区熔合线在距离表面0.85mm处，最高硬度出现在距离表面0.25mm的位置，为1290HV0.2；当TiC含量为70%时，激光熔覆层与基体热影响区的结合区熔合线在距离表面
0.50mm处，最高硬度出现在距离表面0.18mm的位置，为1350HV0.2。

[0027] 随着TiC含量的提高，熔覆层的最高显微硬度增大；TiC含量越高，激光熔覆层出现最高显微硬度的深度越浅；在激光熔覆过程中陶瓷相TiC含量的增加，引起硬质相
弥散分布密度增大，其弥散强化作用增强，故在中上部硬度较高，但是TiC相对含量多
的熔覆层，其熔化吸收的能量较多，基体吸收的能量较少，基体熔化较少，结合区宽度较窄，故硬度下降较快。采用YG6硬质合金磨轮，在50N载荷，400r/min的转速条件下进行
磨损试验，磨损试验结果如图3所示，Ti-6Al-4V合金的平均失重为0.0116g，激光熔覆
Stellite+50wt.%TiC后平均磨损失重为0.0015g，熔覆后表面失重约为前者的10%。可见，熔覆层的耐磨性较钛合金基体有了大幅提高。

[0028] 图4为激光熔覆Co42+50wt.%TiC涂层的XRD分析结果，经过标定涂层主要由Ni-Cr-Co-Mo、Cr0.19Fe0.7Ni0.11、Co3C、(Fe-Ni)、Fe-C、Ni2Si、Cr7BC4、(Fe,Ni,Mo)23B6、Mo2BC、SiC等相组成。Co42合金粉末在熔覆过程中发生熔解，一些元素通过扩散实现了重新分配。
Co42中含有大量的Cr、Ni、Mo、Fe元素，它们一般形成固溶体，使涂层保持一定的塑韧性。
Co42中的B、Si元素与其他金属元素发生反应，生成TiB、Ni2Si等化合物，并可抑制涂层中金属氧化物的生成，有利于获得氧化物含量低、气孔少的熔覆层。

[0029] 对熔覆层进行硬度测试，如图5所示。结果表明，当TiC含量为50%时，激光熔覆层与基体热影响区的结合区熔合线在距离表面0.75mm处，最高硬度出现在距离表面0.25mm的位置，为1250HV0.2；当TiC含量为70%时，激光熔覆层与基体热影响区的结合区熔合线在距离表面0.45mm处，最高硬度出现在距离表面0.15mm的位置，为1390HV0.2。

[0030] 采用YG6硬质合金磨轮，在50N载荷、400r/min的转速条件下进行磨损试验，磨损试验结果如图6所示。Ti-6Al-4V合金的平均磨损失重约为Co42+50wt.%TiC激光熔覆层平均磨损失重的10倍。可见，熔覆层的耐磨性较钛合金基体有了较大提高。

附图说明

[0031] 图1 Ti-6Al-4V钛合金表面Stellite6+50wt.%TiC激光熔覆层的X射线衍射图谱；

[0032] 图2激光熔覆层的显微硬度分布曲线(激光功率950W、扫描速度为2.5mm/s、激光光斑直径4mm)(A)Stellite6+50wt.%TiC(B)Stellite6+70wt.%TiC；

[0033] 图3钛合金及Stellite6+50wt.%激光熔覆层的磨损失重曲线；

[0034] 图4 Ti-6Al-4V钛合金表面Co42+50wt.%TiC激光熔覆层的X射线衍射图谱；

[0035] 图5激光熔覆层的显微硬度分布曲线(激光功率950W、扫描速度为2.5mm/s、激光光斑直径4mm)(A)Co42+50wt.%TiC(B)Co42+70wt.%TiC；

[0036] 图6钛合金及Co42+50wt.%激光熔覆层的磨损失重曲线。

具体实施方式

[0037] 下面结合优选的具体实施例进一步说明。

[0038] 实施例1

[0039] 一种钛合金表面面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层，采用钴基合金、TiC的混合物作为熔覆材料，利用激光熔覆技术制备而成，具体步骤如下：

[0040] (1)将钛合金试样表面清理干净，采用电火花线切割后清洗、晾干待用；

[0041] (2)按一定的质量配比称取熔覆材料粉末，并将粉末混合均匀；

[0042] (3)将熔覆材料混合粉末用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于钛合金基体表面，厚度控制在0.7mm，保持厚度均匀，自然风干；

[0043] (4)对上述晾干的试样进行激光熔覆，激光功率选择为900W，激光的扫描速度为2.5mm/s，吹氩气保护，保护气压为0.2MPa，激光的光斑直径固定为4mm。

[0044] 上述步骤(2)所述的熔覆材料混合粉末为Stellite6+40wt.%TiC（即质量百分比60%的Stellite6钴基合金粉末与40%的TiC混合）。上述步骤(3)所述的粘结剂为水玻
璃溶液，水玻璃与水的体积比为1:3；粘结剂的添加量为每1g熔覆材料粉末中滴入3～10
滴。

[0045] 实施例2

[0046] 一种钛合金表面面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层，采用钴基合金、TiC的混合物作为熔覆材料，利用激光熔覆技术制备而成，具体步骤如下：

[0047] (1)将钛合金试样表面清理干净，采用电火花线切割后清洗、晾干待用；

[0048] (2)按一定的质量配比称取熔覆材料粉末，并将粉末混合均匀；

[0049] (3)将熔覆材料混合粉末用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于钛合金基体表面，厚度控制在0.7mm，保持厚度均匀，自然风干；

[0050] (4)对上述晾干的试样进行激光熔覆，激光功率选择为850W，激光的扫描速度为2.5mm/s，吹氩气保护，保护气压为0.2MPa，激光的光斑直径固定为4mm。

[0051] 上述步骤(2)所述的熔覆材料混合粉末为Stellite6+60wt.%TiC

[0052] （即质量百分比40%的Stellite6钴基合金粉末与60%的TiC混合）。

[0053] 上述步骤(3)所述的粘结剂为水玻璃溶液，水玻璃与水的体积比为1:3；粘结剂的添加量为每1g熔覆材料粉末中滴入3～10滴。

[0054] 实施例3

[0055] 一种钛合金表面面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层，采用钴基合金、TiC的混合物作为熔覆材料，利用激光熔覆技术制备而成，具体步骤如下：

[0056] (1)将钛合金试样表面清理干净，采用电火花线切割后清洗、晾干待用；

[0057] (2)按一定的质量配比称取熔覆材料粉末，并将粉末混合均匀；

[0058] (3)将熔覆材料混合粉末用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于钛合金基体表面，厚度控制在0.7mm，保持厚度均匀，自然风干；

[0059] (4)对上述晾干的试样进行激光熔覆，激光功率选择为1000W，激光的扫描速度为5mm/s，吹氩气保护，保护气压为0.3MPa，激光的光斑直径固定为4mm。

[0060] 上述步骤(2)所述的熔覆材料混合粉末为Stellite6+70wt.%TiC，（即质量百分比30%的Stellite6钴基合金粉末与70%的TiC混合）。

[0061] 上述步骤(3)所述的粘结剂为水玻璃溶液，水玻璃与水的体积比为1:3；粘结剂的添加量为每1g熔覆材料粉末中滴入3～10滴。

[0062] 实施例4

[0063] 一种钛合金表面面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层，采用钴基合金、TiC的混合物作为熔覆材料，利用激光熔覆技术制备而成，具体步骤如下：

[0064] (1)将钛合金试样表面清理干净，采用电火花线切割后清洗、晾干待用；

[0065] (2)按一定的质量配比称取熔覆材料粉末，并将粉末混合均匀；

[0066] (3)将熔覆材料混合粉末用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于钛合金基体表面，厚度控制在0.7mm，保持厚度均匀，自然风干；

[0067] (4)对上述晾干的试样进行激光熔覆，激光功率选择为1050W，激光的扫描速度为7.5mm/s，吹氩气保护，保护气压为0.4MPa，激光的光斑直径固定为4mm。

[0068] 上述步骤(2)所述的熔覆材料混合粉末为Co42+25wt.%TiC，（即质量百分比75%的Co42钴基合金与25%的TiC混合）。上述步骤(3)所述的粘结剂为水玻璃溶液，水玻璃与水的体积比为1:3；粘结剂的添加量为每1g熔覆材料粉末中滴入3～10滴。

[0069] 实施例5

[0070] 一种钛合金表面面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层，采用钴基合金、TiC的混合物作为熔覆材料，利用激光熔覆技术制备而成，具体步骤如下：

[0071] (1)将钛合金试样表面清理干净，采用电火花线切割后清洗、晾干待用；

[0072] (2)按一定的质量配比称取熔覆材料粉末，并将粉末混合均匀；

[0073] (3)将熔覆材料混合粉末用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于钛合金基体表面，厚度控制在0.7mm，保持厚度均匀，自然风干；

[0074] (4)对上述晾干的试样进行激光熔覆，激光功率选择为950W，激光的扫描速度为2.5mm/s，吹氩气保护，保护气压为0.4MPa，激光的光斑直径固定为4mm。

[0075] 上述步骤(2)所述的熔覆材料混合粉末为Co42+50wt.%TiC，（即质量百分比50%的Co42钴基合金与50%的TiC混合）。。

[0076] 上述步骤(3)所述的粘结剂为水玻璃溶液，水玻璃与水的体积比为1:3；粘结剂的添加量为每1g熔覆材料粉末中滴入3～10滴。

[0077] 实施例6

[0078] 一种钛合金表面面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层，采用钴基合金、TiC的混合物作为熔覆材料，利用激光熔覆技术制备而成，具体步骤如下：

[0079] (1)将钛合金试样表面清理干净，采用电火花线切割后清洗、晾干待用；

[0080] (2)按一定的质量配比称取熔覆材料粉末，并将粉末混合均匀；

[0081] (3)将熔覆材料混合粉末用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于钛合金基体表面，厚度控制在0.7mm，保持厚度均匀，自然风干；

[0082] (4)对上述晾干的试样进行激光熔覆，激光功率选择为950W，激光的扫描速度为2.5mm/s，吹氩气保护，保护气压为0.4MPa，激光的光斑直径固定为4mm。

[0083] 上述步骤(2)所述的熔覆材料混合粉末为Co42+70wt.%TiC，（即质量百分比30%的Co42钴基合金与70%的TiC混合）。

[0084] 上述步骤(3)所述的粘结剂为水玻璃溶液，水玻璃与水的体积比为1:3；粘结剂的添加量为每1g熔覆材料粉末中滴入3～10滴。

[0085] 实施例7

[0086] 一种钛合金表面面TiC增强钴基金属陶瓷复合涂层，采用钴基合金、TiC的混合物作为熔覆材料，利用激光熔覆技术制备而成，具体步骤如下：

[0087] (1)将钛合金试样表面清理干净，采用电火花线切割后清洗、晾干待用；

[0088] (2)按一定的质量配比称取熔覆材料粉末，并将粉末混合均匀；

[0089] (3)将熔覆材料混合粉末用粘结剂调成糊状，然后均匀涂覆于钛合金基体表面，厚度控制在0.7mm，保持厚度均匀，自然风干；

[0090] (4)对上述晾干的试样进行激光熔覆，激光功率选择为1100W，激光的扫描速度为5mm/s，吹氩气保护，保护气压为0.4MPa，激光的光斑直径固定为4mm。

[0091] 上述步骤(2)所述的熔覆材料混合粉末为Co42+80wt.%TiC，（即质量百分比20%的Co42钴基合金与80%的TiC混合）。。

[0092] 上述步骤(3)所述的粘结剂为水玻璃溶液，水玻璃与水的体积比为1:3；粘结剂的添加量为每1g熔覆材料粉末中滴入3～10滴。